CN1089166C - 天然电磁辐射测深技术的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

天然电磁辐射测深技术的方法及其装置，用于地下地质结构探测。地面电场的垂直分量E_⊥由电场传感器转换成相应的电信号并加以放大，对信号进行窄带滤波，提取E的频率分量。人工操作时，记录E_⊥频率分量的幅度变化量ΔE_⊥和离散的信号频率值F，利用F-ΔE_⊥曲线，提供便于与钻井剖面图相对比的深度H--岩层相对电阻率ρ_r曲线。采用计算机技术进行数据采集与分析时，按流程自动提供H-ρ_r曲线，实现无人管理观测并提供现场观测记录。

Description

天然电磁辐射测深技术的方法及其装置

本项发明运用了物理学方面的电磁辐射理论及电子测量技术，对利用天然电磁辐射探测地下地质结构的方法及所使用的装置提出新的技术方案。

本发明涉及利用层状地质介质及其中不均匀地质体，对来自高空天然电磁辐射的响应，在近地表空间记录并分析交变电场沿传播方向的分量，提供地下地层厚度、埋藏深度及其岩性的天然电磁辐射测探技术的方法及其装置。

利用电磁方法探测地下地质结构已有较长历史，在理论研究与技术实践方面均取得进展。除了采用人工电磁场源(直流或交变)外，对天然电磁场源的利用亦获得进展，如1953年，Cagniard提出了当地表电磁场的变化相当缓慢时，电场强度与磁场强度之间有一定的比例关系，即大地的复阻抗，为大地电磁法建立了基础。为了提高勘探的分辨力，音频大地电磁法得到发展。近十余年，提出了在地表记录大地电场分量，提供地下岩层深度、厚度及其岩性的方法，这种方法追求的目标值得重视，但对其工作机理尚缺乏明确阐述，所使用的仪器有赖于训练有素的操作者的听觉判别，仪器制造者断言在当今技术条件下，无法采用数字技术及计算技术进行数据采集与分析，因此，使这种方法的应用受到限制。针对上述情况，本发明对天然电磁场源的形成与特性做了分析，从大地电磁法的基本原理出发，表明大地电磁场单一分量(电场分量或磁场分量)中均包含有地下地质情况的信息，并发明了天然电磁辐射测探技术及其装置。

本发明的目的是提供一种用天然电磁辐射测深技术的方法及其装置，采用人工操作或数字技术及计算技术进行数据采集与分析，提供地下地层厚度、埋藏深度及其岩性的资料。

本发明的具体技术方案为：由大气层中雷电过程所形成的天然电磁辐射，从高空以脉冲形式垂直入射至地表，脉冲重复频率较低约8-14次/秒，由于大地与空气的电导率相差悬殊，可将大地视为良导体而形成驻波，这时电场分量在地表被抵销，其能量返回空气介质，在近地表空间的磁场分量的强度加倍，由于空气——地表界面两侧的磁场分量相等，强度加倍的磁场脉冲传入地下，在其传播过程中，不受地下低阻层的屏蔽影响。地下电导率不同的电性界面在磁脉冲的作用下，沿电性界面形成不均匀的电流界面上相邻点的电荷量不同而形成电荷分布，使电性界面成为新的场源，其中包括场强与传播距离r²成反比的感应场及与r成反比的辐射场，由于天然电磁脉冲的重复频率较低且其主要能量分布在音频范围之内，因此，新场源以感应场源为主，感应场的电场分量与传播方向一致。即使界面呈水平状态，感应电场在返回近地表空间时，除了有较强的与地表垂直的E分量外，还有与地表平行的E₁₁分量。在返回地表空间时，电场的反射系数等于-1，而使其强度有6分贝增益，本发明是以近地表空间的E分量为观测对象。就层状地质介质而言，感应电场在返回近地表的过程中，经过电导率σ较高的岩层时，电场的能量损失增加，电场强度E减弱，反之，在经过电导率较低的岩层时，电场强度衰减较小，由于信号频率F与传播的深度H(或距离r)有关，信号频率与电场强度将偏移单调变化曲线。感应电场在有损耗的地质介质中传播时有能量损失，理论分析表明，当传播距离为其穿透深度的3.85倍时，幅度衰减至零赫时幅度的0.7倍，以此做为最大传播距离r_max的标准，其相应的频带宽度(或截止频率)为ΔF，ΔF与σ和r_max的关系由截止频率公式(1)表示： $\mathrm{\ΔF}=3.76\×{10}^6/\mathrm{\σ}\·r_{\max }^2\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

当介质电导率σ为常数时，ΔF与r的关系呈单调变化，对于层状地质，感应电场在传播过程中经历σ的阶跃变化时，F-ΔE_曲线发生偏移。偏移状况反映地下地层的变化情况，在一定频率范围内，记录E_每一频率分量的幅度变化量ΔE_，可得到上述的偏移情况。从F-ΔE_曲线可求得ΔF，而截止频率之间的极值与相应深度范围内介质的电阻率成正比。电阻率愈高，相应的ΔE_max也愈大。利用截止频率公式进行F-H变换，将ΔF转换为探测深度H，得到便于与钻井结果相比较的柱状图，即H-ρ_r图，ρ_r为地层的相对电阻率。

采用窄带方式观测使信噪比显著提高，F-ΔE_曲线更易于反映地下能量群随深度的变化，F-ΔE_曲线取决于读数密度依实际情况加以调整的多组数据的总趋势，因而比宽带方式下，依靠听觉得到的单一数据所确定的截止频率更为可靠，且H-ρ_r曲线中的ρ_r来源于对ΔE的测量，同样不依靠听觉所做出的判断，对ρ_r的定量测量有利于对测量结果的横向比较。

为了接收近地表空间电场的垂直分量E_，采用电容极板式传感器将电场分量转换成相应的电信号。电场传感器输出的微弱信号由前置放大器加以放大并进行阻抗匹配，并由后置放大器进一步增大信号幅度。为了在整个音频范围内的信号实现窄带滤波，采用了上变频技术。为此，将后置放大器所输出的频率在数千赫范围内的信号频率变换至中频范围，便于实现窄带滤波。为此，将后置放大器及频率可调的本地信号发生器所输出的信号同时输至双平衡混频器，由窄带中频滤波器从双平衡混频器的输出信号提取差频信号。本地信号发生器的工作频率高于窄带中频滤波器的中心频率，二者的频率差即为待测信号的频率F。设有反馈电路作用于本地信号发生器，用于保证上变频时本地信号发生器所需的频率稳定度。窄带中频滤波器所析出的差频信号的幅度与后置放大器所输出的信号幅度成正比并随时间做相应的变化。由精密检波器检出差频信号的包络信号，包络信号即待测信号，包络信号的幅度与近地表空间电场的垂直分量E的某一频率分量成正比，其具体的频率值取决于所选定的本地信号发生器输出信号的频率。包络信号经峰值检波器和谷值检波器检出最大峰值V_Pmax和最小谷值V_Tmin。为了减小天然电磁辐射强度随时间变化的影响和可靠记录返回地表的电磁能量随深度的变化，对包络信号的每一频率分量采取如下的处理，在设定的时间间隔内，由加法器、减法器和除法器对V_Pmax和V_Tmin进行模拟运算，求得最大峰值与最小谷值的差值Δ，

Δ＝V_Pmax-V_Tmin………………………………………………(2)公式(2)中的Δ值与E的幅度变化量ΔE_成正比，求得最大峰值与最小谷值的相加值∑，

∑＝V_pmax+V_Tmin………………………………………………(3)并由Δ值与∑值求得K值， $K=\mathrm{\Δ}/\mathrm{\Σ}\·\·\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

根据预计的探测深度范围，依靠调节本地信号发生8器所输出信号的频率设定相应的待测信号的频率范围，依探测的详细程度选取离散的待测信号的频率间隔。在人工操作时，每设定一次本地信号发生器8的频率，即可根据本地信号发生器8与窄带中频滤波器5的中心频率的差值，求得待测信号的频率F及相对应的Δ值及K值。按图6在直角坐标系中，将各个离散的待测信号频率F与相对应的Δ值或K值绘制成F-Δ曲线或F-K曲线。按6分贝衰减作为确定截止频率的标准，从F-Δ曲线上求得与各个极值(极大值及极小值)相关联的截止频率值ΔF，利用截止频率公式(1)求得与ΔF相对应的探测深度H，从F-Δ曲线的极大值及极小值求得相对应深度范围内岩层的相对电阻率ρ_r。最后，以直方图形式绘制便于与钻井剖面图进行比较的H-ρ_r曲线。F-K曲线与F-Δ曲线的用途相同，用于减小天然电磁辐射随时间变化的影响。

当采用计算机进行数据采集与处理时，由D/A转换器控制本地信号发生器的工作频率，即相应的探测深度H。精密检波器的输出信号直接输至A/D转换器，在采集的数据中，对V_Pmax和V_Tmin进行判别，计算Δ值、∑值和K值，自动绘制F-Δ曲线或F-K曲线，最后，以直方图形式自动绘制出便于与钻井剖面相比较的H-ρ_r曲线，以及综合各测点所得到的H-ρ_r图构成的剖面图。

本发明的优点是：采用表头指示方式输出，免去了听觉记录方法，减少结果中的主观因素，测试结果更加准确，在探测深度、岩层电阻率变化及地下地质情况的横向变化方面的有较高的分辨能力。当利用计算技术进行数据采集与处理时，可实现无人管理观测并提供现场观测记录。

E_分量沿电性界面的法线方向返回地表，层状介质呈水平状态时，E_分量与地表面垂直，当地层有较大倾斜时，感应电场来自电性界面，并依电性界面的法线方向返回地表，这一现象对于探测大倾角岩层是有利的。在类似的地质条件下，采用地震反射波法在岩层的下倾方向接收时，接收距离将明显增加，弹性波的能量随之减弱。

从截止频率公式可看出，截止频率ΔF对电磁辐射的传播距离r(或深度H)及岩层电导率σ(或电阻率ρ)有较高的分辨能力。

当电性分界由非固态物质(如石油、天然气等)形成时，在天然电磁脉冲作用下，这种电性分界面上亦有电荷的积累与分布而形成二次感应场，F-ΔE_曲线的形态将产生变化，在与已知矿层仔细对比后，F-ΔE_曲线的形态变化可用于类似地区矿层的识别，这种特性在石油，天然气及煤田勘探中有应用价值。

在距地表较浅(100米-200米)的岩层发生断裂的过程中，有大量的微断裂产生并在近地表空间形成重复频率相对稳定的电磁脉冲，在频率域里其响应曲线出现图8的尖峰，除了判断断裂的地面位置外还可根据尖峰的频率对断裂的深度做出估算。

下面根据附图及实施例对本发明进行详细的阐述：

图1：电场传感器示意图；

图2：混频器电路图；

图3：包络信号波形图；

图4：天然电磁辐射测深装置的框图；

图5：天然电磁辐射测深装置结构示意图；

图6：H-ρ_r曲线的绘制方法图；

图7：流程简图；

图8：沿测线的尖峰频响图。

实施例：采用图1中的电容极板式电场传感器1，极板为上下两块，为了使全部电路处于屏蔽状态，本装置的全部电路板安装在接地的面板21与接地的上极板18之间，其中A和A′表示极板面积，d表示极板间距离，i表示极板间电流。按图4的步骤接收并处理来自地下的电场的垂直分量E，位于地表的电场传感器1将来自地表以下的电场的垂直分量E转换成相应的电信号，传感器的下极板19的周围设有接地隔离环20，用于减小非垂直分量电场对电场传感器1的影响。从而提高了对地下地质结构横向变化的分辨能力。具有高输入阻抗的前置放大器2与电场传感器1相联接进行阻抗匹配并对微弱电信号加以放大，后置放大器3用于进一步增加电信号的幅度，电场传感器1所输出的信号电平为纳伏级，后置放大器3将精密检波器6的输出信号电平提高至毫伏级。为了对整个音频范围内的信号实现窄频带滤波，采用了上变频技术，为此，将后置放大器3所输出的频率在数千赫范围内的信号频率变换至中频范围，便于实现窄带滤波。为此，将后置放大器3的输出信号及频率可调的本地发生器8的输出信号同时输至双平衡混频器4，由窄带中频滤波器5从双平衡混频器4的输出信号中提取差频信号。采用双平衡型混频器是为了使其输出信号中的本地信号发生器8及后置放大器3的输出信号成份减至最小。本地信号发生器8的工作频率高于窄带中频滤波器5的中心频率，二者的频率差即为待测信号的频率F。设有反馈电路7作用于本地信号发生器8，用于保证上变频时本地信号发生器8所需的频率稳定度。窄带中频滤波器5所析出图3中的差频信号的幅度与后置放大器3所输出的信号幅度成正比并随时间做相应的变化，精密检波器6检出图3中的差频信号的包络信号，包络信号的电平达到毫伏级，包络信号的幅度与近地表空间电场垂直分量E的某一频率分量成正比，其具体的频率值取决于所选定的本地信号发生器8输出信号的频率。包络信号经峰值检波器9和谷值检波器10检出图3中的最大峰值V_Pmax和最小谷值V_Tmin。由加法器12、减法器11和除法器13对V_Pmax和V_Tmin进行加法、减法和除法的模拟运算；按公式(2)

Δ＝V_Pmax-V_Tmin………………………………………………(2)求得最大峰值与最小谷值的差值Δ，

按公式(3)

∑＝V_Pmax+V_Tmin………………………………………………(3)求得最大峰值与最小谷值的相加值∑，

按公式(4) $K=\mathrm{\Δ}/\mathrm{\Σ}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$ 求得Δ值与∑值的比值K值，

根据预计的探测深度范围，依靠调节本地信号发生器8所输出信号的频率设定相应的待测信号的频率范围，依探测的详细程度选取离散的待测信号的频率间隔。在人工操作时，每设定一次本地信号发生器8的频率，即可根据本地信号发生器8与窄带滤波器5的中心频率的差值，求得待测信号的频率F及相对应的Δ值及K值。按图6在直角坐标系中，将各个离散的待测信号频率F与相对应的Δ值或K值绘制成F-Δ曲线或F-K曲线。按6分贝衰减作为确定截止频率的标准，从F-Δ曲线上求得与各个极值(极大值及极小值)相关联的截止频率值Δ F，利用截止频率公式(1)求得与ΔF相对应的岩层深度H，从F-Δ曲线的极大值及极小值求得相对应深度范围内岩层的相对电阻率ρ_r。最后，以直方图形式绘制便于与钻井剖面图进行比较的H-ρ_r曲线。F-K曲线与F-Δ曲线的用途相同，用于减小天然电磁辐射随时间变化的影响。

当采用计算机进行数据采集与分析时，按图4中虚线的步骤进行，计算机16对D/A转换器15发出数字信息所输出的模拟信号，控制本地信号发生器8的工作频率，即相应的探测深度H，精密检波器6输出的包络信号直接输至A/D转换器14，按流程由计算机16进行数据采集与处理，在采集的数据中，对V_Pmax和V_Tmin进行判别，计算Δ值、∑值和K值，自动绘制F-Δ曲线或F-K曲线，最后，以直方图形式自动绘制出便于与钻井剖面图直接相比较的H-ρ_r曲线。

Claims (2)

1.一种用天然电磁辐射测深技术的方法，其特征在于采用窄带方式观测近地表空间电场垂直分量E_，为了接收近地表电场的垂直分量E_，采用电容极板式传感器(1)将电场分量转换成相对应的电信号；电场传感器(1)输出的微弱信号由前置放大器(2)加以放大并进行阻抗匹配，并由后置放大器(3)进一步增大信号幅度；采用了变频技术在整个音频范围内的信号实现窄带滤波，将后置放大器(3)所输出的频率在数千赫范围内的信号频率变换至中频范围，实现窄带滤波；后置放大器(3)及频率可调的本地信号发生器(8)所输出的信号同时输至双平衡混频器(4)，由窄带中频滤波器(5)从双平衡混频器(4)的输出信号提取差频信号；本地信号发生器(8)的工作频率高于窄带中频滤波器(5)的中心频率，二者的频率差即为待测信号的频率F；反馈电路(7)作用于本地信号发生器(8)，保证上变频时本地信号发生器(8)所需的频率稳定度；窄带中频滤波器(5)所析出的差频信号的幅度与后置放大器(3)所输出的信号幅度成正比并随时间做相应的变化；由精密检波器(6)检出差频信号的包络信号，包络信号的幅度与近地表空间电场的垂直分量E_的某一频率分量成正比，其具体的频率值取决于所选定的本地信号发生器(8)输出信号的频率；包络信号经峰值检波器(9)和谷值检波器(10)检出最大峰值V_Pmax和最小谷值V_Tmin；由加法器(12)、减法器(11)和除法器(13)对V_Pmax和V_Tmin进行模拟运算，按公式(2)求得最大峰值与最小谷值的差值Δ，

Δ＝V_Pmax-V_Tmin…………………………………………………(2)按公式(3)求得最大峰值与最小谷值的相加值∑，

∑＝V_Pmax+V_Tmin……………………………………………(3)并按公式(4)由Δ值与∑值求得K值， $K=\mathrm{\Δ}/\mathrm{\Σ}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

根据预计的探测深度范围，依靠调节本地信号发生器(8)所输出信号的频率设定相对应的待测信号的频率范围，依探测的详细程度选取离散的待测信号的频率间隔；在人工操作时，每设定一次本地信号发生器(8)的频率，即可根据本地信号发生器(8)与窄带中频滤波器(5)的中心频率的差值，求得待测信号的频率F及相对应的Δ值及K值；在直角坐标系中，将各个离散的待测信号频率F与相对应的Δ值或K值绘制成F-Δ曲线或F-K曲线；按6分贝衰减作为确定截止频率的标准，从F-Δ曲线上求得与各个极大值和极小值相关联的截止频率值ΔF，利用截止频率公式(1)求得与ΔF相对应的探测深度H， $\mathrm{\ΔF}=3.76\×{10}^6/\mathrm{\σ}\·r_{\max }^2\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

从F-Δ曲线的极大值和极小值求得相对应深度范围内岩层的相对电阻率ρ_r；最后，以直方图形式绘制便于与钻井剖面图进行比较的H-ρ_r曲线；F-K曲线与F-Δ曲线的用途相同，用于减小天然电磁辐射随时间变化的影响。

2.采用权利要求1所述的用天然电磁辐射测深技术方法的装置，其特征在于天然电磁辐射测深装置由极板式电场传感器(1)将来自地下的电场的垂直分量E转换成相对应的电信号，传感器极板为上下两块，全部电路板安装在接地的面板(21)与接地的上极板(18)之间，传感器的下极板(19)的周围设有接地隔离环(20)，前置放大器(2)与电场传感器(1)相联接进行阻抗匹配并对微弱信号加以放大，后置放大器(3)用于进一步增加电信号的幅度，电场传感器(1)所输出的信号电平为纳伏级，后置放大器(3)将精密检波器(6)的输出信号电平提高至毫伏级；采用上变频技术对整个音频范围内的信号实现窄带滤波，将后置放大器(3)所输出的频率在数千赫范围内的信号频率变换至中频范围，后置放大器(3)的输出信号及频率可调的本地信号发生器(8)的输出信号同时输至双平衡混频器(4)，由窄带中频滤波器(5)从双平衡混频器(4)的输出信号中提取差频信号，本地信号发生器(8)的工作频率高于窄带中频滤波器(5)的中心频率，二者的频率差即为待测信号的频率F，反馈电路(7)作用于本地信号发生器(8)保证上变频时本地信号发生器(8)所需的频率稳定度，窄带中频滤波器(5)析出差频信号，精密检波器(6)检出差频信号的包络信号，包络信号的电平达到毫伏级，包络信号的幅度与近地表空间电场的垂直分量E的某一频率分量成正比，其具体的频率值取决于所选定的本地信号发生器(8)输出信号的频率；峰值检波器(9)和谷值检波器(10)检出包络信号的最大峰值V_Pmax和最小谷值V_Tmin；由加法器(12)、减法器(11)和除法器(13)对V_Pmax和V_Tmin进行加法、减法和除法的模拟运算；按公式(2)

Δ＝V_Pmax-V_Tmin………………………………………………………………(2)求得最大峰值与最小谷值的差值Δ，

按公式(3)

∑＝V_Pmax+V_Tmin………………………………………………………………(3)求得最大峰值与最小谷值的相加值∑，

按公式(4) $K=\mathrm{\Δ}/\mathrm{\Σ}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$ 求得Δ值与∑值的比值K值，根据本地信号发生器(8)与窄带中频滤波器(5)的中心频率的差值，求得待测信号的频率F及相对应的Δ值及K值；在直角坐标系中，将各个离散的待测信号频率F与相对应的Δ值或K值绘制成F-Δ曲线或F-K曲线；还可采用计算机进行数据采集与分析，具有高输入阻抗的前置放大器(2)与电场传感器(1)相联接进行阻抗匹配并对微弱电信号加以放大，后置放大器(3)用于进一步增加电信号的幅度，电场传感器(1)所输出的信号电平为纳伏级，后置放大器(3)将精密检波器(6)的输出信号电平提高至毫伏级；按下述步骤进行：由D/A转换器(15)控制本地信号发生器(8)的工作频率，即相应的探测深度H；精密检波器(6)的输出信号直接输至A/D转换器(14)；进行数据采集与处理，在采集的数据中，对V_Pmax和V_Tmin进行判别，计算Δ值、∑值和K值，自动绘制F-Δ曲线或F-K曲线；最后，以直方图形式自动绘制出便于与钻井剖面图相比较的H-ρ_r曲线，综合各测点所得到的H-ρ_r图构成的剖面图。

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